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DEPARTEMENT DE PHYSIQUE PRINTEMPS DES SCIENCES 2002 ________________________________________________________________________________________ __ La Supraconductivité Printemps des Sciences 2002 : l’énergie sous toutes ses formes Présentation Andrieux David, Ngô Fabien ______________________________________________________________________________________ ____ Il s’agit de l’un des rares phénomène quantique macroscopique : un supraconducteur est un matériau qui, en-dessous d’une certaine température Tc , va présenter des caractéristiques exceptionnelles! Ce qui entraîne une série de phénomènes surprenants comme la lévitation,… Les supraconducteurs sont donc caractérisés par deux propriétés particulières : 1) Résistance électrique nulle Un supraconducteur, refroidi en-dessous de sa température critique Tc, va présenter une résistance électrique nulle : R=0Ω 2) Diamagnétisme parfait (ou effet Meissner) Quand on applique un champ magnétique B0 au-dessus de Tc et qu’on refroidit en-dessous de Tc : dans le conducteur parfait, la conductivité s’oppose à la variation du flux alors que le supraconducteur exclut le flux de son volume. Un supraconducteur va donc expulser tout champ magnétique extérieur (sauf sur une minuscule couche en surface) tant que celui-ci est inférieur à une certaine valeur Bc qui dépend de T : Bc = Bco (1 - T2/Tc2) Théorie BCS En 1957, John Bardeen, Leon Cooper, John Schrieffer reçoivent le prix Nobel de physique pour la première théorie correcte sur le fonctionnement des supraconducteurs. Tout part de l’idée que deux électrons peuvent s’attirer ! Comment cela est-il possible? En effet il est bien connu que deux charges de même signe se repoussent selon la loi de Coulomb : q.q' F= 1 4πε0 r2 Dans un métal, lorsqu’il se déplace, un électron va modifier légèrement la position des noyaux situés sur son parcours. Ces distorsions, nommées phonons, créent de petites zones positives qui attirent un autre électron : on assiste donc à la création d’une paire d’électrons de spins opposés, appelée paire de Cooper. Comme les électrons se déplacent plus vite que les noyaux, le premier électron est loin de l’ion qu’il a déplacé lorsque le second électron arrive; la paire est donc liée par une interaction décalée à la fois dans le temps et dans l’espace. Nous pouvons maintenant interpréter l’absence de résistance ainsi que le diamagnétisme parfait : - tous les électrons se comportant en un ensemble cohérent, il n’y aura pas d’effet Joule, au contraire d’un flux ordinaire où certains électrons peuvent perdre de l’énergie par interaction avec des impuretés ou par l’agitation thermique des noyaux. - les courants étant non-dissipatifs, lorsqu’un champ magnétique extérieur est imposé, un courant induit va s’installer et, en vertu de la loi de Faraday, produire un champ opposé. J= ne2 m où A J = densité de courant A = potentiel vecteur Seulement, ces paires de Cooper peuvent être brisées si on leur apporte suffisamment d’énergie : c’est le cas lorsqu’on élève trop la température ou lorsqu’on applique un champ magnétique intense. Ces effets peuvent être combinés, ce qui explique la dépendance de Bc en fonction de Tc. Applications La découverte de supraconducteurs à « haute » température offre toute une série de nouvelles possibilités : - Transport et stockage de l’électricité : Les supraconducteurs permettent en effet de stocker indéfiniment du courant, et cela sans aucune perte. On peut donc en faire des câbles : ceci a été testé dans la ville de Detroit où 110 kg de supraconducteurs ont remplacé 8200 kg de cuivre tout en multipliant par 3 la densité de courant transportée ! et ce tout en diminuant les pertes de 80% par rapport aux lignes classiques. Dans le domaine des microprocesseurs, on cherche actuellement à utiliser des supraconducteurs pour atteindre des fréquences du “ petaflops ”, soit 1015 opérations par seconde, alors que les meilleures performances sont aujourd’hui de l’ordre du teraflop (1012 Hz) - Lévitation pouvoir Meissner contrebalancer de qui peut On peut faire léviter toute une série d’objets : le supraconducteur repoussant tout champ magnétique, un aimant placé au-dessus va léviter, par application directe de l’effet (si son champ est assez puissant pour la gravité). A ce moment-là, il ne reste plus que le frottement l’air, ce qui est un avantage évident. On a donc construit au Japon un train « magnétique », atteindre des vitesses de plus de 500 km/h. - Et les supraconducteurs trouvent également des applications directes dans de nombreux autres domaines : accélérateurs de particules, imagerie biomédicale, … Types de supraconducteurs En réalité, on distingue trois types de supraconducteurs : - Supraconducteurs de type I : Il s’agit généralement de métaux. Ces matériaux présentent un effet Meissner total : à part sur une petite profondeur en surface (la “longueur de pénétration”), tout le flux magnétique est expulsé tant qu’il est inférieur au champ magnétique critique Bc. Leur température critique Tc est très basse, les rendant impropres aux utilisations pratiques. (Ex : Al à 1.175 K) - Supraconducteurs de type II : Ceux-ci sont souvent des alliages. Ils se comportent de manière plus étrange : ils commencent par expulser le flux, pour ensuite le laisser pénétrer progressivement jusqu’à son entrée complète. Entre les deux (état “mixte”), on assiste à la création de zones supraconductrices séparées par des zones non-supraconductrices. Ce type de supraconducteurs présente généralement l’avantage de posséder une température critique Tc élevée. (Ex :Nb3Sn 18.1 K) - Supraconducteurs à haute température : Ils se comportent du point de vue magnétique comme les types II. Leur mécanisme n’est pas élucidé, mais ils possèdent une très haute température critique. (Ex : YBa2Cu3O7+ à 93K)
